Princip och optisk metrologi för 222 nm uv-glödlampa strålningsförökning
Egenskaper och elektromagnetiskt spektrum av elektromagnetiska vågor
Ljus är en elektromagnetisk våg. Enligt Maxwells elektromagnetiska teori, ett tids-varierande elektriskt fältE(eller magnetfältH) i ett område av rymden kommer att inducera ett varierande magnetfältH(eller elektriskt fältE) i angränsande regioner. Dessa alternerande varierande elektriska och magnetiska fält genererar varandra kontinuerligt och fortplantar sig genom rymden med en begränsad hastighet och bildar elektromagnetiska vågor. Elektromagnetiska vågor uppvisar följande egenskaper:
(1) Både det elektriska fältetEoch magnetfältHav en elektromagnetisk våg är vinkelräta mot utbredningsriktningen, och de tre vektorerna (E, H och utbredningsriktning) är inbördes vinkelräta. Således är elektromagnetiska vågor tvärgående vågor. Vektorerna E, H och utbredningsriktningen bildar ett höger-skruvsystem.
(2) För en elektromagnetisk våg som utbreder sig i en given riktning,EochHoscillera i sina respektive plan-en egenskap som kallas polarisation.
(3) Vid varje punkt i rymden,EochHgenomgår periodiska variationer och är i fas och når maxima och minima samtidigt.
(4) När som helst och vilket ögonblick som helst, storleksförhållandet mellanEochHär εE=μH.
(5) Utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor i vakuum är c = 1/√(ε₀μ₀), och i ett medium är den v=1/√(εμ).
Elektromagnetiska vågor spänner över ett extremt brett område, från radiovågor och optiska vågor till -röntgenstrålar och -strålar-som alla tillhör samma kategori, och skiljer sig bara i våglängd. För närvarande upptäckta och allmänt använda elektromagnetiska vågor sträcker sig från våglängder längre än 10⁴ m till kortare än 10⁻⁵ nm. När de är ordnade efter frekvens eller våglängd bildar de det elektromagnetiska spektrumet. Optisk strålning upptar bara ett litet segment av detta spektrum, med ultraviolett strålning som det primära fokus för vår studie.
Optisk strålning
Energi som fortplantar sig i form av elektromagnetiska vågor eller partiklar (fotoner), som kan reflekteras, avbildas eller spridas av optiska element, tillsammans med dess utbredningsprocess, kallas gemensamt för optisk strålning. Det anses allmänt täcka våglängder från 10 nm till 1 mm (frekvenser ~3×10¹¹ till 3×10¹⁶ Hz). Optisk strålning är vanligtvis indelad i tre delar baserat på våglängd och mänskligt synsvar: ultraviolett strålning, synligt ljus och infraröd strålning. Våglängder uttrycks vanligtvis i nm för det synliga-till-ultravioletta området, i μm för infrarött, och vågsiffror anges vanligtvis i cm⁻¹.
Ultraviolett strålning har kortare våglängder än violett ljus och är osynlig för det mänskliga ögat, spänner över 1–390 nm. Det är uppdelat i nära-UV, långt-UV och extremt-UV. Extrem-UV absorberas nästan helt av luft och kan bara spridas i vakuum, därför kallas det också vakuum ultraviolett (VUV). I sol-UV-studier klassificeras ultraviolett strålning ofta i UVA-, UVB- och UVC-band.
I synnerhet det långt-ultravioletta ljuset som produceras av en222 nm uv glödlampa(en KrCl* excimerlampa) har rönt stor uppmärksamhet de senaste åren för desinfektionstillämpningar för lediga-utrymmen i offentliga utrymmen. Dess höga fotonenergi, starka absorption av syre i luften och extremt grunda penetrationsdjup i mänsklig hud (begränsat till stratum corneum) gör den unikt säker och effektiv.
För att kvantitativt beskriva optisk strålning krävs specifika fysikaliska storheter. Detektering och mätning av optisk strålning använder två distinkta system: radiometriska enheter och fotometriska enheter.
Det radiometriska systemet använder strålningsflöde (eller strålningskraft) och strålningsenergi som fundamentala storheter, enbart beroende på det strålande objektet. Grundenheterna är watt (W) och joule (J). Radiometri gäller över hela det elektromagnetiska spektrumet.
Det fotometriska systemet återspeglar visuell ljusstyrka. Dess grundläggande kvantitet är ljusstyrka, med grundenheten candela (cd). Fotometri är endast tillämplig på det synliga området.
Även om de fysiska storheterna i de två systemen skiljer sig begreppsmässigt, motsvarar deras symboler en-till-en. Radiometriska storheter betecknas med "e", fotometriska storheter med "v".
En viktig slutsats av Maxwells teori är förekomsten av elektromagnetiska vågor, och ljus är en elektromagnetisk våg. Ljus skiljer sig i princip inte från radiovågor, mikrovågor, röntgenstrålar eller -strålar förutom i våglängdsområdet. Baserat på denna teori kan dämpningen av ljusintensiteten i atmosfären beräknas. I den här boken är avstånden för ultravioletta mätningar relativt korta (endast tiotals meter), så utbredningsmediet kan betraktas som enhetligt, och effekterna av brytningsindex och atmosfärisk turbulens försummas. Efterföljande mätningar behandlar mediet som vakuum.
Grundläggande lagar för optisk strålningsmätning
En strålningskälla kan karakteriseras av strålningsintensitet, strålningsexitans (strålningsflödestäthet) och strålningsflöde för att beskriva dess styrka och rumsliga energifördelning.
Strålningsintensitet är den strålningseffekt som sänds ut av en källa per enhet rymdvinkel, vilket reflekterar vinkelfördelningen av strålningsenergi.
Strålningsexitans (strålningsflödestäthet) är den totala strålningseffekten som emitteras per ytenhet, vilket reflekterar ytemissionstätheten.
Strålningsflöde är den totala effekt som sänds ut av hela källan i rymden (tidshastighet för strålningsenergi).
Radians definieras som strålningseffekten som avges per enhet projicerad area i siktlinjen-av-siktriktningen per enhet rymdvinkel. Relationerna mellan strålningsintensitet, strålningsexitans, strålningsflöde och strålglans uttrycks som:
Integrering av strålning över källområdet ger strålningsintensitet: J=∫ₐ N cosθ dA (3-1)
Integrering av radians över rymdvinkel ger strålningsexitans: M=∫ₒ N cosθ dΩ (3-2)
Dubbel integration över area och rymdvinkel ger strålningsflöde: Φ=∫ₐ ∫ₒ N cosθ dA dΩ (3-3)
Där: N - strålning av källan; dA - källområdeselement; θ - vinkel mellan emissionsriktning och ytnormal; dΩ - helvinkelelement; cosθ dA - projicerat område i emissionsriktningen.
Bestrålning har samma dimensioner som strålningsexitans (W/cm²), men avser effekt som tas emot per ytenhet vid detektorn. När ett instrument tar emot strålning är irradiansen vid ingångspupillen: E=∫ₒ N cosθ dΩ (3-4)
Ekvation (3-4) är formellt identisk med (3-2), men använder radiansen vid mottagaren och integreras över instrumentets acceptans rymdvinkel. Om överföringsförluster försummas är källstrålningen lika med mottagen strålning; med förluster förblir beräkningen okomplicerad. Bestämning av källstrålning är därför avgörande i tekniska tillämpningar.
Generellt sett är strålning eller reflektion från objekt riktad och förekommer endast inom begränsade rymdvinklar, vilket betyder att strålning beror på riktning. En idealisk diffus strålare (Lambertian radiator) sänder ut likformigt in i det halvsfäriska utrymmet med konstant utstrålning. Strålningsintensiteten från ett Lambertian ytelement följer Lamberts cosinus lag: dJ=N cosθ dA ∝ cosθ (3-5)
När man observerar ett diffust lysande föremål (t.ex. Solen) från olika vinklar, förblir den projicerade ytan som ses av varje näthinnecell konstant, liksom den rymda vinkeln vid pupillen. Eftersom Lamberts strålning är oberoende av betraktningsriktningen är den mottagna energin konstant, vilket ger en jämnt ljus skiva.
För en idealisk Lambertian-sändare som strålar in i en halvklot är förhållandet mellan strålningsexitans och radians: dΩ=sinθ dθ dφ M=∫ N cosθ dΩ=N ∫₀²π dφ ∫₀²π dφ ∫₀ϸ} {πθθθ} θ} (3-6)
Särskilt är strålningsexitans lika med π gånger radians, inte 2π (den fullständiga halvsfäriska solida vinkeln).
En perfekt Lambertian-kylare är en idealisk modell. I praktiken uppskattar många källor Lambertians beteende endast inom begränsade vinkelområden. För de flesta elektriska isolatorer kan strålningen anses vara ungefär konstant för vinklar som är mindre än eller lika med 60 grader från normalen; för ledare, Mindre än eller lika med 50 grader . Vissa källor, t.ex222 nm uv glödlampaexcimerurladdningsrör, uppvisar också nära-Lambertian-fördelning över små vinklar, vilket gör dem praktiska som standardkällor för ultraviolett radiometrisk kalibrering.
